JPH02170367A - メタノール改質装置を備えた燃料電池 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ °この発明は、メタノール改質装置を備えた燃料電池に
関するものである。

［従来技術］ 従来から水素と酸素により電気を発生させる燃料電池が
あり、この水素をメタノール改質反応により得る方法が
ある。そして、このメタノール改質装置においては、メ
タノールと水とを原料として高温触媒下で水素を生成し
燃料電池に水素を供給するとともに、燃料電池での未反
応水素を還流してその未反応水素をバーナで燃焼させメ
タノール改質反応に必要な熱を得るようになっている。

そして、燃料電池の出力はメタノール改質装置への改質
原料（メタノール、°水）供給♀と相関を持たせで制御
している。

即ち、燃料電池の未反応水素をメタノール改質装置のバ
ーナで燃焼ざじメタノール改質装置の触煤層に最適な熱
量を供給して触媒層が常に３２０℃前後になるように燃
料電池の出力に合せてメタノール改質装置への改質原料
（メタノール、水）供給量を制御している。

［発明が解決しようとする課題］ ところが、この熱バランスが保持された状態から、−旦
メタノール改質装置の触媒層の温度が下がり始めるとメ
タノール改質率が低下するため生成する水素量が低下す
る。このとき、燃料電池の発電（水素利用率）は一定の
ためメタノール改質装置のバーナに還流する未反応水素
量は減少しメタノール改質装置の触ｔＲ層の温度はさら
に下がり以後同様の悪循環により最終的にメタノール改
質装置のバーナの水素炎は消えてしまうという問題があ
った。これは、特に、燃料電池の出力を変化させるよう
な過渡的な状態で発生した。

この発明の目的は、燃料電池の出力の変化に起因するメ
タノール改質装置での熱バランスの崩れを防止して安定
した運転を行なうことができるメタノール改質装置を備
えた燃料電池を提供することにある。

［課題を解決するための手段］ この発明は、水素と酸素により電気を発生させる燃料電
池と、メタノール又は水素を燃焼させメタノール改質反
応に必要な熱を供給するバーナを備え、水とメタノール
を原料として触媒下でメタノール改質反応を行い、水素
と二酸化炭素を生成するメタノール改質装置とを具備し
たメタノール改質装置を備えた燃料電池において、 前記メタノール改質装置の触媒層に設Ｇノられた発熱体
と、前記メタノール改質装置の触媒層の温度を検出する
温度検出手段と、前記温度検出手段による触媒層温度が
規定の制ｔｉｌＩｌ温度範囲以下に下がったとき前記発
熱体を動作させ触媒層温度を上げる制御手段とを具備し
てなるメタノール改質装置を備えた燃料電池をその要旨
とりるものである。

［作用］ 制御手段は温度検出手段によりメタノール改質装置の触
媒層温度が規定の制御温度範囲以下に下がったとき、触
媒層に設けた発熱体を動作させ触媒層を加熱する。その
結果、メタノール改質装置の触媒層温度が上がり、熱バ
ランスの崩れが防止される。

［実施例］ 以下、この発明を車両に搭載される燃料電池に具体化し
た一実施例を図面に従って説明する。

第１図は本実施例の走行モータの電源供給系を示し、全
体としてメタノール改質装置１と燃料電池２とＤＣ／Ｄ
Ｃコンバータ３と鉛Ｎ電池４と走行用直流モータ５とか
ら構成されている。

水タンク６の水は水ポンプ７の駆動により混合器８に供
給されるとともに、メタノールタンク９のメタノールは
メタノールポンプ１０の駆動により混合器８に供給され
、この混合器８にて水とメタノールが混合され改質原料
となり、メタノール改質装置１に供給される。

メタノール改質装置１は第２図及び第２図の八−Ａ断面
を示す第３図に示すように、円筒形をなすフレーム１１
には断熱材１２が配置されている。

そのフレーム１１内には触媒層１３が同心円上に複数立
設され、触媒層１３の中には改質触媒１４が充填されて
いる。この改質触媒１４としてはＣｕｏ、ｚｎｏ系触媒
を使用している。

この各触媒層１３は、第４図に示すように、円柱状に形
成され、その外周部には発熱体としてのニクロム線４４
が螺旋状に巻装されている。そのニクロム線４４の巻装
のピッチは下方はど狭くなっている。即ち、下方はどニ
クロム線４４の発熱量が多くなるようになっている。

又、前記混合器８にて混合されたメタノール／水の改質
原料は改質原料供給管１５を介してメタノール改質装置
１のフレーム１１内に供給されるとともに、その改質原
料供給管１５はフレーム１１内の中心部に螺旋状に延設
され、さらに、分岐部１６から各触媒層１３の底部に接
続されている。各触媒層１３の上端部は集合されて水素
排出管１７にて外部に連通しでいる。

フレーム１１の内筒上部にはパーツ１８が設【ノられ、
そのバーナ１８にはプロワ１９にて空気（酸素）が供給
されるとともメタノールポンプ２０にて前記メタノール
タンク９からメタノールが供給される。そして、メタノ
ール改質装置１の起動時の昇温の際にはバーナ１８によ
りメタノールが空気中の酸素にて燃焼してその高温の燃
焼ガスは内筒を通過し前記改質原料供給管１５内のメタ
ノール／水の改質原料を加熱するとともに、外筒を通過
し各触媒層１３を加熱して排気通路２１から外部に排出
される。

ざらに、バーナ１８には燃料電池２の未反応水素が供給
され、メタノール改質装置１の昇温が終了した後におい
てはこの水素が前記ブロワ１９により供給される空気中
の酸素にて燃焼してその高温の燃焼ガスは前記改質原料
供給管１５を加熱丈るとともに、各触媒層１３を加熱す
る。即ち、メタノール改質装＠１の昇温時はメタノール
炎にて触媒層を加熱し、−旦反応温度の約３２０℃に達
し、メタノール改質反応が行なわれた後は、メタノール
炎を停止し、燃料電池２からの未反応水素による水素炎
に切換え、改質反応に必要な熱を供給する。そして、燃
焼ガスはメタノール改質装置１の内筒から外筒を通過し
、排気通路２１から外部に排出される。

又、触媒層１３においては、上述したバーナ１８′ｃの
燃焼による高温雰囲気下においてメタノ−ルと水とを原
料として改質触ｔｓ１４にて水素を生成する（ＣＨ３０
Ｈ十ト１２０→３Ｈ２＋ＣＯ２−ΔＱ）。この水素生成
反応は吸熱反応であるために加熱が必要となっている。

燃料電池２は、リン酸電解質２２を介して水素極２３と
酸素極２４が対向配置され、水素極２３側に前記メタノ
ール改質装置１により生成された水素が前記水素排出管
１７からフィルタ２５を介して供給される。又、酸素極
２４側にプロ９２６により空気（酸素）が供給される。

さらに、この燃料電池２には該燃料電池２を加熱及び冷
却するための熱交換器（′、Ａイル管）２７が配置され
、この管内にばオイルポンプ２８の駆動により熱交換器
２９及びオイルタンク３０を介してオイルが循環される
。熱交換器２９には起動用バーナ３１が設けられ、メタ
ノールポンプ３２により前記メタノールタンク９からメ
タノールが供給されるとともにブロワ３３により空気が
供給される。そして、燃料電池２の起動時には起動用バ
ーナ３１にてメタノールが燃焼してオイルが加熱され、
オイルが循環され燃料電池２が約１００℃付近まで昇温
される。

燃料電池２の温度が約１００℃に達すると発電が開始さ
れる。燃料電池２は発電を開始すると発熱反応により温
度が上昇するが反応に適正な温度は１９０℃±２０℃付
近であり、その温度範囲内に温度制御する必要がある。

燃料電池２の冷却はブロワ３３を駆動し、熱交換器２９
にて循環するオイルルが冷却することにより行なわれ、
燃料電池２の昇温はメタノールポンプ３２とブロワ３３
を駆動するとともに、起動用バーナ３１によりメタノー
ル炎を看火し、熱交換器２９にて循環するオイルを加熱
することにより行なわれる。

又、燃料電池２においては、メタノール改質装置１から
供給される水素とブロワ２６により供給される空気＜′
ＭＸ＞により水素極２３とＭ糸種２４との間に起電力が
発生する。又、水素の未反応物は逆火防止器３４を介し
て前記メタノール改質装置１のバーナ１８に戻される。

燃料電池２の画電極はＤＣ／Ｄ、Ｃコンバータ３に接続
されている。又、ＤＣ／ＤＣコンバータ３の出力端子間
には鉛蓄電池４を介して車両の走行モータ５が接続され
ている。走行モータ５は切替コンタクタ（前進用、後進
用）３５ａ、３５ｂが並列に接続されるとともに、走行
モータ５に対しトランジスタＴｒが直列に接続されてい
る。又、接続点ａ、ｂにはフライホイールダイオードＤ
１゜Ｄ２が接続されている。そして、いずれかの切替コ
ンタクタ３５ａ、３５ｂを閉路した状態で１〜ランジス
タＴｒがチョッパ制御されることにより走行モータ５の
回転速度が制御されるようになっている。

システム全体を制御する・制御手段としＣのコントロー
ラ３６は前記各ブロワ１９．２６，３３、ポンプ７．１
０，２０．２８．３２を駆動制御するとともに、メタノ
ール改質装置１の触媒温度を検出する温度検出手段とし
ての温度センサ°３７からの信号と燃料電池２の温度を
検出する温度センサ３８からの信号を入力して各温度を
検知する。

又、コントローラ３６は電圧検出部３９による燃料電池
２の出力電圧Ｖｌ”Ｃを検知するとともに、電圧検出部
４０による鉛蓄電池の端子電圧ＶＢを検知する。又、コ
ントローラ３６は電流センサ４２による鉛蓄電池４の充
放電電流ＩＢを検知するとともに、温度センナ４３によ
る鉛蓄電池４の温度を検知する。さらに、コン１〜ロー
ラ３６はＤＣ／ＤＣコンバータ３に燃料電池２からの出
力電流指令値を出力するとともに、ＤＣ／ＤＣコンバー
タ３とｔｌａ蓄電池４との間に設けられた負荷コンタク
タ４１を開閉制御する。又、コン１〜ローラ３６はメタ
ノール改質装置１の改質触媒１４に装着されたニクロム
線４４への通電を制御するようになっている。

次に、このシステムの起動制御を説明する。

まず、コン１〜ローラ３６はメタノール改質装置１の触
ｔＳ温度が改質反応可能な最低温度（約２５Ｏ℃）に達
するまでの間、メタノールポンプ２０とブロワ１９を駆
動してメタノールをバーナ１８で燃焼させ触媒層１３を
昇温する。同時に、コン１〜ローラ３６は燃料電池２が
発電可能な最低温度（約１００’Ｃ）に達するまでの間
、メタノールポンプ３２とブロワ３３を駆動して起動用
パーツ３１でメタノールを燃焼さけ、オイルポンプ２８
によりオイルを循環さけ燃料電池２を昇温させる。

そして、コントローラ３６はメタノール改質装置１で改
質反応可能な最低温度（約２５０℃）に達するとともに
燃料電池２で発電可能な最低温度（約１００℃）に達す
ると、水ポンプ７とメタノールポンプ１０を駆動し、メ
タノール改質装置１に改質原料の供給を開始する。する
と、メタノール改質装置１の改質触媒１４で改質された
水素はフィルタ２５を経由して燃料電池２に供給される
。

この時、燃料電池からの未゛反応水素は逆火防止器３４
を介してメタノール改質装置１のバーナ１Ｂで燃焼させ
る。

それ以後、コントローラ３６はメタノール改質装置１の
メタノールポンプ２０を停止しメタノール改質装置１で
のパーツ゛１８の燃焼を未反応水素主体で行なわせる。

コントローラ３６は燃料電池２への水素供給が始まると
同時にブ［１ワ２６を駆動し空気（酸素）を供給する。

水素と酸素の供給が始まると燃料電池２の両電極間にオ
ーブン電圧が発生する。コントローラ３６はオーブン電
圧が規定の電圧に達した後、負荷コンタクタ４１を閉じ
て外部への電力供給を開始する。この時、コン１−ロー
ラ３６はＤＣ／ＤＣコンバータ３に燃料電池２からの出
力電流指令値を出力し、ＤＣ／ＤＣコンバータ３はその
値に従って多階段に定電流出力制御を行なっている。さ
らに、コントローラ３６は鉛蓄電池４の端子電圧ＶＢと
充放電電流Ｉ８と温度を常時検出することにより鉛蓄電
池４の充電状態を算出している。ＤＣ／ＤＣコンバータ
３への出力電流指令値は鉛蓄電池４の充電状態に相関し
て出力するようにしている。即ち、鉛蓄電池４の放電が
進んでいる場合には燃料電池２の出力を最大側に設定し
、鉛蓄電池４が充分に充電されている場合には低出力側
に設定している。コントローラ３６は燃料電池２の発電
が開始されると同時に起動用バーＪ３１へのメタノール
供給を停止しブロワ３３により燃料電池２を冷却する。

次に、この燃料電池２と鉛蓄電池４の運転方法を説明す
る。

燃料電池２の出力電力はＤＣ／ＤＣコンバータ３を経由
して走行モータ５等の負荷、又は、補助バッテリーとし
ての鉛蓄電池４に供給されるねりであるが、ＤＣ／ＤＣ
コンバータ３はその出力を常に！８蓄電池４の充電電圧
ＶＢになるように制御し、燃料電池２と鉛蓄電池４によ
るハイブリッド運転が行なわせる。又、メタノール改質
装置１、燃料電池２、ＤＣ／ＤＣコンバータ３の出力は
ε；）蓄電池４の放電が進んでいる状態では出力量入側
にし、満充電状態になるに゛つれて低い出力になるよう
に制御する。即ら、鉛蓄電池４の充電量に相関してコン
トローラ３６から燃料電池２の出力制御が行なわれる。

この時のメタノールポンプ１０と水ポンプ７からの改質
原料供給♀は、燃料電池２の発電伝に必要な水素と、そ
の水素を生成するためのメタノール改質反応に必要な熱
量を燃料電池２の未反応水素から得ることができ、メタ
ノール改質装置１の触媒層温度が常に３２０℃前後にな
るように予め設定された値となっている。

しかしながら、燃料電池２の出力を変化ざＵる過渡的状
態において、メタノール改質装置１の触媒層温度は著し
く変動する。コン１ヘローラ３６は常に触媒層温度を検
出し、触媒層温度が規定されたｉ＋制御温度以下に下が
った時に、前記ニクロム線４４を通電し発熱動作さぼる
。このニクロム線４４の発熱によりメタノール改質装置
１の改質触媒１４が加熱される。従って、メタノール改
質装置１の触媒層１３の熱バランスが崩れ改質触媒１４
の温度が下がろうとしても、ニクロム線４４の発熱によ
り触媒層１３が加熱されるためにメタノール改質率の低
下が抑制され規定の水素生成口が維持される。このとき
、燃料電池２からメタノール改質装置１のバーナ１８に
戻る水素口は変化せずバーナ１８の水素炎が消えること
はない。

又、このニクロム線４４の発熱時には、ニクロム線４４
の巻装のピッチは下方はど狭く（下方はどニクロム線４
４の発熱最が多く）なっているので、触媒層１３の下方
から導入されるメタノール／水の改質原料は出口側に対
し入口側で活発な反応が行なわれる。従って、触媒層１
３の入口側の方が反応により奪われる熱が大きいために
ニクロム線４４の巻線密度を出口側に対し入口側を密に
している。

このように本実施例によれば、メタノール改質装置１の
触媒層１３に当該触媒を加熱するニクロム線４４を巻装
し、触媒層１３の温度セン９”３７の検出値が規定制御
温度以下になったときニクロム線４４を通電し発熱動作
させるようにした。従って、メタノール改質装置１の触
媒層１３の熱バランスの崩れをニクロム線゛４４の発熱
により回避して水素生成量が維持され燃料電池２からメ
タノール改質装置１のバーナ１８に戻る水素量は変化せ
ずバーナ１８の水素炎が消えることはなく、燃料電池２
の出力の変化に起因するメタノール改質装置１での熱バ
ランスの崩れを防止して安定した運転を行なうことがで
きる。

又、メタノール改質装置１の触媒層１３の温度が下がる
とメタノール改質率が低下し未改質メタノールが燃料電
池２の水素極２３に入り電極の劣化等の悪影響を及ぼす
虞があるが、本実施例ではニクロム１ｉＱ４４の発熱動
作により改質触媒１４の温度低下が抑制され未改質メタ
ノールによる燃料電池２の水素極２３の劣化等を未然に
回避することができる。

さらに、本実施例ではニクロム線４４の巻装のピッチは
メタノール／水の改質原料の入口側はど狭くしたので、
反応が活発となる触媒層入口部で多くの熱量が供給でき
るとともに反応が活発でない出口部では余り熱を必要と
しないため、改質触媒１４全体として温度分布を均一と
することができる。

［発明の効果］ 以上詳述したようにこの発明によれば、燃料電池の出力
の変化に起因するメタノール改質装置での熱バランスの
崩れを防止して安定した運転を行なうことができる優れ
た効果を発揮する。

【図面の簡単な説明】

第１図は実施例の燃料電池の概略構成図、第２図はメタ
ノール改質装置の断面図、第３図は第２図のＡ−Ａ断面
図、第４図は改質触媒を示す斜視図である。 １はメタノール改質装置、２は燃料電池、１３は触媒層
、３６は制御手段としてのコントローラ、３７は温度検
出手段としての温度レン番す、４４は発熱体としてのニ
クロム線。 特許出願人　　株式会社　豊田自動織機製作所代　理　
人　　　　　弁理士　　恩１）傅實メタノール 第３図 第４図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、水素と酸素により電気を発生させる燃料電池と、 メタノール又は水素を燃焼させメタノール改質反応に必
   要な熱を供給するバーナを備え、水とメタノールを原料
   として触媒下でメタノール改質反応を行い、水素と二酸
   化炭素を生成するメタノール改質装置と を具備したメタノール改質装置を備えた燃料電池におい
   て、 前記メタノール改質装置の触媒底に設けられた発熱体と
   、 前記メタノール改質装置の触媒層の温度を検出する温度
   検出手段と、 前記温度検出手段による触媒層温度が規定の制御温度範
   囲以下に下がつたとき前記発熱体を動作させ触媒層温度
   を上げる制御手段と を具備してなるメタノール改質装置を備えた燃料電池。